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文章标题：Java 中如何实现信号量控制并发数？
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在Java中，实现信号量（Semaphore）以控制并发数是一种常见的并发编程技术。信号量是一个计数器，用于限制对某个资源的并发访问数。它允许一个或多个线程同时访问某个资源，但不超过信号量所设置的限制值。Java的java.util.concurrent包中提供了Semaphore类，正是为了这一目的而设计的。下面，我们将深入探讨如何在Java中使用Semaphore来管理并发访问，同时结合实际代码示例，确保内容既详细又实用。

引入Semaphore

首先，让我们看看Semaphore的基本用法。Semaphore类有两个主要的构造方法：

  • Semaphore(int permits)：创建一个具有给定许可数和非公平性设置的Semaphore。
  • Semaphore(int permits, boolean fair)：创建一个具有给定许可数和给定公平性设置的Semaphore。如果设置为公平（true），则线程将按照它们请求许可的顺序获得许可（FIFO）。然而，公平性的设置可能会降低性能。

基本操作

Semaphore提供了几个核心方法用于控制并发访问：

  • void acquire()：从信号量获取一个许可，如果所有许可都已被占用，则当前线程将阻塞，直到有许可可用为止。
  • void release()：释放一个许可，将其返回给信号量。
  • void acquire(int permits)：尝试获取给定数量的许可，如果不足，则线程将阻塞。
  • boolean tryAcquire()：尝试获取一个许可，如果成功，则返回true；如果所有许可都已被占用，则返回false，并且线程不会被阻塞。
  • boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)：尝试在给定的等待时间内获取一个许可。如果在此时间内获得了许可，则返回true；如果时间耗尽时仍无法获得许可，则返回false。

使用Semaphore控制并发

假设我们有一个资源池，比如数据库连接池，我们希望同时访问该资源池的线程数量不超过某个最大值。这时，我们就可以使用Semaphore来限制并发数。

示例场景

考虑一个简化的数据库连接池场景，其中我们有一个DatabaseConnectionPool类，该类管理一定数量的数据库连接。我们想要确保在任何时候，同时使用的连接数不会超过预设的最大值。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class DatabaseConnectionPool {
    private final Semaphore semaphore;
    private final int maxConnections;
    // 假设这里有一个连接列表或类似结构，用于存储实际的数据库连接

    public DatabaseConnectionPool(int maxConnections) {
        this.maxConnections = maxConnections;
        // 初始化Semaphore，许可数为最大连接数
        this.semaphore = new Semaphore(maxConnections);
    }

    public void useConnection() throws InterruptedException {
        // 尝试获取许可，即尝试获取一个数据库连接
        semaphore.acquire();
        try {
            // 模拟数据库操作
            System.out.println("Database connection acquired by thread " + Thread.currentThread().getName());
            // 这里可以添加实际的数据库操作代码
            Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
        } finally {
            // 释放许可，即释放数据库连接
            semaphore.release();
            System.out.println("Database connection released by thread " + Thread.currentThread().getName());
        }
    }

    // 假设还有其他管理连接的方法...
}

测试代码

现在，我们可以编写一个简单的测试类来验证DatabaseConnectionPool的功能。

public class SemaphoreDemo {
    public static void main(String[] args) {
        DatabaseConnectionPool pool = new DatabaseConnectionPool(3); // 最大并发连接数为3

        // 启动多个线程模拟并发访问
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    pool.useConnection();
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }, "Thread-" + (i + 1)).start();
        }
    }
}

在上面的测试代码中，我们创建了一个最大连接数为3的DatabaseConnectionPool实例，并启动了10个线程来模拟并发访问数据库连接。由于信号量的限制，在任何时刻，最多只有3个线程能够同时执行useConnection方法中的数据库操作。其他线程将不得不等待，直到有许可（即数据库连接）可用。

注意事项

  1. 公平性：虽然Semaphore提供了公平性的选项，但在高并发场景下，使用公平锁可能会降低性能。除非确实需要，否则通常建议使用非公平锁。
  2. 异常处理：在使用acquire方法时，如果当前线程被中断，则它会抛出InterruptedException。因此，在使用acquire时，应该考虑异常处理策略，确保资源能够正确释放。
  3. 资源泄漏：在finally块中释放信号量是非常重要的，这可以确保即使在发生异常的情况下，许可也能被正确释放，避免资源泄漏。

总结

Semaphore是Java并发编程中一个非常有用的工具，它允许我们精确地控制对共享资源的并发访问。通过合理地设置许可数和公平性策略，我们可以有效地管理资源，避免过载和竞争条件。在编写并发程序时，了解并熟练掌握Semaphore的使用，将有助于提高程序的稳定性和性能。

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